Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles thérapeutiques potentielles et la conception de molécules réelles Suzanne Sirois Professeure Associée

Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles thrapeutiques potentielles et la conception de molcules relles Suzanne Sirois Professeure Associe Dpartement de Chimie UQM

Biologiques Gnomiques, protomique, chemognomique Chimiques Catalyse, sparations, ractions Dcouvertes dagents thrapeutiques optimisation, dveloppement, biodisponibilit Polymres Gels, adhsifs, lubrifiants, peintures Matriaux Prdiction de structures, spectroscopie Nano-technologie Champs dapplications in silico

Prsentation Chimiothques et Cibliothques Exemple dapplication: SARS-CoV Mpro

LEAD/Candidate seeking DRUG DEVELOPMENT TARGET DISCOVERY Genomics Pathway Structural HTS and Virtual de novo Ligand-based Synthetic Pharmaceutical Pharmaco Dosing analysis biology screening design design chemistry optimization genetics optimization Clinical Testing HITS Target validation Silver leadBronze leadGold lead Target 3D structure 3D Bioinformatics Vers la Bio-intelligence

Projet du Gnome Humain Selon lInternational Human Genome Sequencing Consortium, on estime le nombre de gnes encodant les protines humaines entre 20,000-25,000 Lincoln D. Stein. Human genome: End of the beginning. Nature 431, 915 - 916 2004

LUnivers Chimique 10 100-400 molcules Molcules organiques 10 24-40 Ertl, P. J. Chem. Info. Comput. Sci., 43, 374-380 (2203) Molcules actuellement synthtises10 6 Molcules se liant des cibles thrapeutiques 10 ?

Lunion des deux Dcouverte et mise au point de molcules thrapeutiques Identification de la fonction des protines Intgre les informations gnomique biologique chimique pharmacologique et pharmacocintique Sert comprendre la base molculaire de l'efficacit d'une molcules et prdire sa toxicit potentielle et autres effets indsirables Interactions protine-protine

Base de molcules 3D Conversion Criblage in silico Criblage Virtuel Docking Pharmacophore Modle SAR Cibliothque Ensemble de chimiothques StructureModle Base de molcules 2D Structure 3D Exprimentale connue Pas de structure 3D dtermine Liste de touches (hits) Test in vivo Mesure affinit Mesure activit Chimiothques Filtrage 5 M S. Sirois et al. Assessment of Chemical Libraries for their Druggability, Comput. Biol and Chem., 29 55-67 (2005).

Filtrage: proprits physico-chimiques

Filtrage Groupes Ractifs

Criblage virtuel de cibles potentielles ( vHTS Criblage virtuel de cibles potentielles (virtual High Throughput Screening) vHTS Structure 3D cible Site Fonction de la protine Ligand Complex Chimiothques Modle pharmacophore Algorithmes, Ordinateurs Criblage vHTS Liste de touches (hits)

Application Criblage Virtuel sur SARS-CoV Mpro

Donnes du WHO sur le SARS au 31 dcembre 2003 http://www.who.int/csr/sars/country/table2004_04_21/en/index.html http://www.who.int/csr/sars/country/table2004_04_21/en/index.html 29 pays touchs 8096 cas 774 morts Canada 251 cas 43 morts Transmission par contact face- face

SARS M pro as Target All coronaviruses encode a chymotrypsin-like (3CL Pro ) protease for proteolytic procession during virus maturation. SARS-CoV main proteinase M pro or 3C like similar to the Picornavirus Cys-His catalytic dyad (Cys145-His41) similar to TGEV M pro (Cys144-His41) HcoV M pro (Cys144-His41).

SARS M pro as Target Because of its essential role in proteolytic processing, the SARS M pro considered an attractive target for antiviral drugs against SARS and other coronavirus infections

Protease Susceptible Sites Usually extend to an octopeptide with the scissile bond located between the subsites P 1 and P 1 SARS M pro cleaves at least 11 inter-domain sites on the pp1a and pp1ab polyproteins involving Leu-Gln (Ser, Ala, Gly) sequences: LQ(S,A,G)

Modlisation 3D par Homologie Modliser la structure 3D de la protine cible base sur celles connues Structure 3D dune protine connue Si la structure 3D de la cible est inconnue Construire la serrure pour ensuite trouver la cl

Modlisation par Homologie Structure 3D - SARS-CoV M pro HCov 40%, TGEV 44% 304 AA. domaine 1 (res. 899) mauve domaine 2 (res. 100183) jaune domaine 3 (res. 200300) bleu Boucle (res. 184199 ) liant les domaines 2 et 3 mauve. Site de liaison localis entre les domaines 1-2 K. Anand, et al. Coronavirus Main Proteinase (3CLpro) Structure: Basis for Design of Anti-SARS Drugs. Science 300, 1763-1737 (2003)

Modlisation et Superposition des Structures 3D Modlisation 3D de SARS M Pro partir de HCoV PDB: 1P9S Exprimentale PDB: 1UJ1 RMS = 1.4

Peptidomimtique Dyade Catalytique de SARS- CoV M pro His-41 et Cys-145

preparative HPLC is used to purify the final product.

Gan, Y.R. et al Synthesis and activity of an octapeptide inhibitor designed for SARS coronavirus main proteinase, Peptide, 27(4), 622-5, (2006)

Comment trouver dautres types dinhibiteurs Superposition des ligands naturels Superposition des peptides 1UK4-SARS (vert) et 1P9U-TGEV (rouge) partir des coordonnes des structures cristallines Donne un RMS de 2.19 pour tous les C. Modes de liaisons diffrents pour les ligands du SARS et TGEV M Pro

Superposition des ligands naturels Domaines I et II Superposition de 6 structures complexes du SARS: 1UK4, 1WOF, 2A5I, 2AMD, 2AMQ, 2D2D Montre une poche de liaison conserve o le sous-site S1 est dans un creux prononc qui contient les rsidus de la diades catalytiques Cys145 and His41.

Superposition des ligands naturels Surface molculaire de la poche partir des 6 ligands complexs 1UK4, 1WOF, 2A5I, 2AMD, 2AMQ, 2D2D. Bleu: rgion hydrophobe Vert hydrophile Rouge: surface expose au solvent

Superposition des ligands naturels Surface molculaire consensus partir des 6 ligands complexs 1UK4, 1WOF, 2A5I, 2AMD, 2AMQ, 2D2D. Pair dlectrons libre: pourpre hydrophobe: vert Enthalpie, entropie

Comment trouver dautres types dinhibiteurs KZ7088 (A) AG7088 (B) Mathews, D.A. et al. Structure-assisted design of mechanism-based irreversible inhibitors of human rhinovirus 3C protease with potent antiviral activity against multiple rhinovirus serotypes. Proc.Natl.Acad.Sci.USA v96 pp.11000-11007, 1999 Superposition de la protease 3C du rhinovirus (1CQQ) complexe avec linhibiteur AG7088 sur protase principale du CoV ) (1UJ1) ( SARS-CoV M pro ) (1UJ1)

Modle Pharmacophore de KZ7088 7 points pharmacophores KZ7088 amarr dans site de liaison de SARS-CoV M pro S. Sirois, et al., Virtual Screening for SARS-CoV Protease Based on KZ7088 Pharmacophore Points, J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44, 1111-1122, (2004).

Criblage Virtuel sur 5M molcules a donn 2789 touches (hits) 0.07% satisfait 5 des 6 liaisons hydrognes (points pharmacophore) Proprits physico- chimiques %Violation 170 23 1 17 2 47 >2 S. Sirois, et al., Virtual Screening for SARS-CoV Protease Based on KZ7088 Pharmacophore Points, J. Chem. Inf. Comput. Sci. 44, 1111-1122, (2003).

Exemples de touches obtenues Fonction dvaluation

Modification virtuelle Modification Calcul E int Convergence?

HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov J.E. Blanchard et al. HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov M pro, Chem & Biol. 1, 1445-53, (2004)

HTS Identifies Inhibitors of the SARS Cov

From Hit to Lead From Hit to Lead proposed Pharmacophore For QSAR Validated hits from HTS screening Proposed focused library Purchase cpds Test in in vitro assays Actives? Provisional patent filings Revise design NO YES Scaffolds identified Identified pharrmacophores Computational Chemistry Cheminformatics Lead for further optimization

Rsum Mthodes in silico et CHP Gnration Pharmacophore Topologie Site Identification Cible Structure 3d Topologie Fragment Structures 3D Ligand Cibliothques Chimiothques Agents thrapeutiques Fonctions des protines

High Throughput Virtual Screening

Projet denvergure Screensaver Lifesaver Project Computational Drug Design at the University of Oxford The National Foundation for Cancer Research Centre United Devices members Virtual screening using grid computing: the screensaver project W. Graham Richards Nature Reviews Drug Discovery 1, 551-555 [2002].

Le Projet THINK http://www.chem.ox.ac.uk/curecancer.html 3.5 milliard molcules cribles 3.5 millions provenant de chimiothques connues respectant les critres de Lipinski dagents thrapeutiques Chaque molcule est varie 100 fois en ajoutant un substituant alatoirement Chimie combinatoire 3 semaines pour processer une cible

Combien dannes? Si 25000 cibles potentielles X 3 semaines = 75000/52 = 1442 annes pour 3.5 milliard molcules cribles Si 10 24-40 milliard molcules potentielles Avec une chimiothque de 3.5 milliard molcules On a cribl uniquement 10 9 / 10 24 soit 10 -15 de toutes les molcules potentielles

Nombre de structures dans PDB X-ray Diffraction28807 NMR5124 Total33931

Solution: Calculs sur Rseaux dOrdinateurs (Grid Computing)

Construction de Chimiothques Diversifies But: Augmenter la qualit du criblage en fonction diversit molculaire Proprits ADMET

Processus Chimiothque Molcules Drug-like Filtre: Enlve indsirables Analyse Diversit: Enlve redondants Espace Chimique Augmente le potentiel de succs du criblage Ajoute les molcules avec Chimie Combinatoire

Nombre de Violation 0: mauve 1 : bleu 2: vert n: orange- rouge Dfini un espace de diversit drug-like Soit une chimiothque relle Enlve les composs non-ADMET

Comment la diversit est-elle dfinie? Grandeur? Age? Nombre denfants? Salaire? Comment reprsenter plus de 4 descripteurs? Une combinaison de tous?

Topologique 2-D formules structurales lectrostatique Charge positive ou ngative Gomtrique 3-D forme et structure Quantique Orbitales atomiques et molculaires Types de Descripteurs Molculaires

Exemple avec 25 Descripteurs 25 descripteurs DLI (Drug-like Index) Chaque structrure est reprsente par un point dans un espace 25 dimensions Utilise mthode PCA (Principal Component Analysis) Graphiques 3D: choisit les 3 premiers-PCAs Rduit la dimensionalit de lensemble

Soit 2 Chimiothques

Chimiothque assemble de 125K mauve WDI rouge O se situe le domaine des molcules biodisponibles? ? ? ? ?

Merci A tous les collaborateurs V. Makarenkov et Ren Roy

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Liens entre le criblage virtuel (vHTS) de cibles thérapeutiques potentielles et la conception de molécules réelles Suzanne Sirois Professeure Associée